【摘要】：固體燃料超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、比沖高、成本低、安全性好、作戰(zhàn)時(shí)反應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn),在未來高超聲速飛行系統(tǒng)有著廣闊的應(yīng)用前景。但是固體燃料超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的研究仍然處于初步探索階段,許多關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展的并不成熟,作為核心部件的燃燒室內(nèi)的點(diǎn)火、組織燃燒及火焰維持是亟需解決的問題。采用理論分析、數(shù)值模擬及直連式實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式對(duì)固體燃料超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的自點(diǎn)火及火焰維持過程、機(jī)理及影響因素進(jìn)行了探索性的研究。針對(duì)固體燃料超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)固體燃料的退移燃燒過程進(jìn)行理論分析,考慮氣體和固體燃料之間的耦合傳熱、熱解氣體的加質(zhì)燃燒、固體燃面的退移過程及超聲速流動(dòng)特點(diǎn),基于非穩(wěn)態(tài)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù),建立了超聲速流中固體燃料退移熱解燃燒的數(shù)值模型。并對(duì)適用于超聲速流動(dòng)的湍流模型進(jìn)行了對(duì)比分析,選用了具有良好性能的湍流模型用于本文數(shù)值模型中。壓力及燃速數(shù)值結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合的較好,所建立的數(shù)值模型適合于研究固體燃料超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的流動(dòng)燃燒相關(guān)問題。采用穩(wěn)態(tài)算法,對(duì)固體燃料的自點(diǎn)火影響因素進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。本研究主要關(guān)注了進(jìn)氣參數(shù)及燃燒室構(gòu)型的影響。首先對(duì)比了常應(yīng)用在傳統(tǒng)亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中的突擴(kuò)臺(tái)階和常應(yīng)用在液體燃料超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中的凹腔火焰穩(wěn)定器的自點(diǎn)火性能,發(fā)現(xiàn)在突擴(kuò)臺(tái)階的基礎(chǔ)上加入適當(dāng)長度和深度的凹腔既能提高點(diǎn)火性能又能提高總體性能。存在進(jìn)氣貧氧和進(jìn)氣富氧自點(diǎn)火極限以及進(jìn)氣總溫自點(diǎn)火極限。較長較深的凹腔易于實(shí)現(xiàn)自點(diǎn)火,等直段直徑越大越不利于自點(diǎn)火,而凹腔后緣收斂角越大越有利于自點(diǎn)火。對(duì)燃燒室內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)自點(diǎn)火建壓過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。分析了固體燃料自點(diǎn)火過程中壓力、溫度及組分以及燃面退移率的變化規(guī)律,根據(jù)流動(dòng)燃燒特點(diǎn)將自點(diǎn)火過程分為熱量積累、小回流區(qū)自點(diǎn)火及火焰?zhèn)鞑ト齻�(gè)階段,在火焰?zhèn)鞑ルA段燃燒室內(nèi)壓力突升,完成自點(diǎn)火建壓。在能夠?qū)崿F(xiàn)自點(diǎn)火的凹腔的基礎(chǔ)上,增深凹腔增大了點(diǎn)火延遲時(shí)間,增長凹腔降低了點(diǎn)火延遲時(shí)間。小回流區(qū)起著實(shí)際的點(diǎn)火源作用,據(jù)此提出了一種新型臺(tái)階式凹腔,既能提高點(diǎn)火性能又能提高燃燒室整體性能。自點(diǎn)火機(jī)理為:滿足合適的進(jìn)氣流量及總溫,充分加熱燃料,提供足夠的化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度,凹腔提供足夠的停留時(shí)間及回流區(qū)面積,使得熱量在小回流區(qū)內(nèi)能夠持續(xù)積累,氣相達(dá)到點(diǎn)火溫度后,首先實(shí)現(xiàn)小回流區(qū)的自點(diǎn)火,隨后逐步點(diǎn)燃其余燃面。基于平行層退移規(guī)律,采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)算法研究了燃燒室內(nèi)固體燃料的退移燃燒及火焰穩(wěn)定性的影響因素。對(duì)比了火焰穩(wěn)定時(shí)及火焰不能維持時(shí)的燃燒特性。穩(wěn)態(tài)燃燒過程中,主回流區(qū)內(nèi)溫度高于小回流區(qū),高溫區(qū)分布在凹腔后部及燃面以上的剪切層附近,高溫區(qū)逐漸向下游擴(kuò)展。熄火后燃燒室內(nèi)參數(shù)接近進(jìn)氣冷流參數(shù)。在相同的進(jìn)氣流量條件下,進(jìn)氣總溫越高凹腔內(nèi)的平均溫度越高,火焰穩(wěn)定性能越好。在相同的工作時(shí)刻,進(jìn)氣總溫越大,平均退移速率越高。在相同的進(jìn)氣總溫條件下,進(jìn)氣流量越高,燃燒室工作時(shí)間越短。燃燒室內(nèi)在一定的工作時(shí)間內(nèi)能夠保持火焰穩(wěn)定,但是在更長的時(shí)間范圍內(nèi)均會(huì)發(fā)生自熄火,即火焰穩(wěn)定是相對(duì)的。在滿足燃燒室工作性能以及不引起壅塞的前提下,應(yīng)該適當(dāng)?shù)脑黾影记幻娣e、增深凹腔、減小等直段直徑并增長等直段長度以增強(qiáng)火焰穩(wěn)定性。基于動(dòng)網(wǎng)格技術(shù),對(duì)SFSCRJ燃燒室內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)退移燃燒過程進(jìn)行了詳細(xì)的研究,數(shù)值分析了熄火機(jī)理。獲得了燃面退移規(guī)律,監(jiān)測(cè)了壁面參數(shù)、軸線參數(shù)及內(nèi)流場演變過程。固體燃料的最高燃速分布在凹腔和等直段交界處,進(jìn)口附近和出口附近的燃速較低,整個(gè)平均退移速率逐漸降低。固體燃料退移過程中,擴(kuò)張段不斷向下游擴(kuò)展,等直段和擴(kuò)張段逐漸連成近等直分布,在工作后期出口附近的擴(kuò)張段可能形成漸擴(kuò)漸縮的型面分布,內(nèi)流場溫度呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。在相同的進(jìn)氣條件下,有些構(gòu)型維持火焰的時(shí)間較短,其熄火原因?yàn)?在SFSCRJ燃燒室工作過程中,通道逐漸變寬,主流流速逐漸增大,整個(gè)燃燒室內(nèi)不同區(qū)域的平均溫度均處于降低的趨勢(shì),當(dāng)凹腔提供的停留時(shí)間呈現(xiàn)逐漸降低的情況下,凹腔的火焰維持能力降低,會(huì)引起火焰分布的波動(dòng)以及流動(dòng)結(jié)構(gòu)的變化,致使凹腔的穩(wěn)焰作用失效,在相對(duì)低溫的主流冷卻及吹熄作用下引起熄火。通過直連式試驗(yàn)證實(shí)了在飛行馬赫數(shù)6的條件下,1000g/s和500g/s流量下都能實(shí)現(xiàn)自點(diǎn)火和火焰穩(wěn)定,突擴(kuò)臺(tái)階也能實(shí)現(xiàn)自點(diǎn)火和火焰穩(wěn)定,但是工作性能不如相同等直段直徑下的凹腔。在點(diǎn)火初期,燃燒室的高亮高溫區(qū)域逐漸由上游向下游傳播,燃燒室內(nèi)溫度在整體上經(jīng)歷了先增后減的趨勢(shì),在穩(wěn)定燃燒階段,小回流區(qū)內(nèi)溫度低于主回流區(qū),這些現(xiàn)象和結(jié)論與數(shù)值研究結(jié)果相一致。在熄火過程中,燃燒室內(nèi)火焰有一定的波動(dòng),并由后向前熄滅。
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【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V231.2

【參考文獻(xiàn)】

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1 王利和;武志文;劉昶秀;陶歡;魏志軍;王寧飛;;入口氣流參數(shù)對(duì)固體燃料超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室性能的影響分析[J];兵工學(xué)報(bào);2014年05期

2 陳方;陳立紅;張新宇;;超聲速燃燒室凹腔火焰穩(wěn)定器的數(shù)值模擬[J];推進(jìn)技術(shù);2007年02期

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本文編號(hào)：2379194